JP3567698B2

JP3567698B2 - 直流電源装置

Info

Publication number: JP3567698B2
Application number: JP26198397A
Authority: JP
Inventors: 智海吉水; 博明折笠; 隆彦島田; 茂篠原; 栄二中山; 一彦船橋
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: JPH11101836A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコードレス電動工具（以下単に電動工具という）に使用可能な直流電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動工具は電源ケーブルによる作業上の制約が無く、どのような場所においても作業できるというメリットを有しているが、蓄電池の容量が低下すると蓄電池を充電するか別の充電済み蓄電池と交換しなければならないと共に、電池電圧が放電により減少してしまうので、作業効率が一定でないという問題があった。
そこで、作業場所と交流電源設置場所が近く作業中の移動が少ない場合には、図９、図１０に示すような直流電源装置を用いて、交流電源からの交流電流を直流電流に変換して電動工具を使用するようにしていた。これにより、蓄電池を充電しなくとも電動工具を連続的に使用することができると共に作業効率を一定とすることができるようになる。
【０００３】
図９、図１０に示す従来の直流電源装置は、１００Ｖを１０数Ｖに降圧するトランス５１、整流回路５２、平滑用コンデンサ５３等を内蔵した本体５０と、一端に交流電源に接続可能なプラグ５６が設けられた入力ケーブル５７と、一端に電動工具に着脱可能なアダプタプラグ５５を設けた出力ケーブル５４とから構成されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電動工具は、蓄電池により駆動する場合、蓄電池の容量内でしか駆動することができないので、モータの温度上昇が低く、モータ冷却用のファンが設けられていない、あるいは小型の冷却用ファンが設けられた構成であった。しかし、上記したような従来の直流電源装置を用いて電動工具を駆動させる場合には、連続的に電動工具を駆動させることが可能であり、連続的に駆動させた時にはモータの温度が極度に上昇し、モータ及び電動工具の寿命が低下してしまうという欠点があった。
上記欠点を解消するために、電動工具内に大型なモータ冷却用ファンを設ける、電動工具内に温度センサー等を設けて、電動工具内の温度を監視し温度が上昇しないように通電を制御する等の手段が考えられるが、前者は電動工具を大型にしてしまう、後者は電動工具内部を複雑としてしまう欠点があると共にいずれの手段も既存の電動工具に新たに追加することができないという欠点がある。
本発明の目的は、上記欠点を解消し、モータ及び電動工具の寿命低下を抑制する直流電源装置を提供することである。
【０００５】
【発明が解決するための手段】
上記目的は、電動工具に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出電流値を所定時間毎に取り込み、電動工具に供給される電気量を演算する制御手段とを備え、前記電気量の累計値が所定値以上となった時に警告するようにすることにより達成される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明直流電源装置の一実施例を図１、図２を用いて説明する。図１は本発明直流電源装置の一実施例を示す回路図、図２は本発明直流電源装置の一実施例及び携帯用電気ドリルの一例を示す斜視図である。以下、電動工具を電気ドリルとして説明する。
図２に示すように、直流電源装置は、本体１１と、一端にＡＣ１００Ｖの商用交流電源に接続されるプラグ１８が設けられた入力ケーブル１０と、一端にアダプタプラグ１３が設けられた出力ケーブル１２とから構成されている。アダプタプラグ１３は、上部が蓄電池１の嵌合部と同じ形状をしており、電気ドリル４０に着脱可能となっている。また、本体１１にはスピーカ１５、ブザー１６及びランプ１７からなるアラーム部２５が設けられている。
プラグ１８及び入力ケーブル１０を介して本体１１に供給された交流電流は、直流電源回路２０により直流電流に変換され、マイクロコンピュータ（以下マイコンという）２３に接続された制御部２２及び検出回路２１を介して出力ケーブル１２及びアダプタプラグ１３に出力される。検出回路２１は抵抗体２１ａと、抵抗体２１ａの両端の電流による電圧降下を増幅し、マイコン２３の入力ポート２３ａに送るオペアンプ２１ｂとにより構成されている。また、制御部２２にはマイコン２３の出力ポート２３ｅからの出力により電流を遮断するＦＥＴ２２ａが設けられている。スピーカ１５、ブザー１６及びランプ１７はそれぞれ出力ポート２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを介してマイコン２３に接続されている。
【０００７】
上記した直流電源装置の動作を図３のフローチャートを用いて説明する。
マイコン２３は、プラグ１８が商用交流電源に接続されると同時にプログラムがスタートし（ステップ１００）、各ポートの状態や累計電気量Ｍのリセット、規定値Ｍｍａｘ等を初期設定し（ステップ１０１）、１０ｍｓｅｃカウンタをアップする（ステップ１０２）。次にステップ１０３で１０ｍｓｅｃ経過したか否かを判断し、１０ｍｓｅｃ経過したと判断したならばステップ１０４に進んで入力ポート２３ａの電流をＡ／Ｄ変換し、電流値をデジタル量として読み込み、ステップ１０５でこの値に時間（１０ｍｓｅｃ）を乗じて１０ｍｓｅｃカウンタの時間内に消費した電気量、すなわち電気ドリル４０に供給された電気量ΔＭを算出する（電気量ΔＭは電流の時間積分値で、単位はＡｈである）。次に、記憶している累計電気量Ｍに電気量ΔＭを加えて、現在の累計電気量Ｍを求め（ステップ１０６）、１０ｍｓｅｃカウンタをクリアする（ステップ１０７）。
ステップ１０８で、累計電気量Ｍとステップ１０２の初期設定時に設定された規定値Ｍｍａｘ（Ｍｍａｘは電気ドリル４０のモータの発熱量やファンの冷却能力から決定される使用限界値である。）の９０％の値とを比較し、Ｍ＜０．９×Ｍｍａｘならばステップ１０２に戻り、Ｍ≧０．９×Ｍｍａｘならばステップ１０９に進む。ステップ１０９でＭとＭｍａｘとを比較し、Ｍ＜Ｍｍａｘならばステップ１１０に進んで出力ポート２３ｂ、２３ｃ、２３ｄに電流を供給してスピーカ１５、ブザー１６及びランプ１７からなるアラーム部２５をオンさせ、その後ステップ１０２に戻る。アラーム部２５がオンすると、スピーカ１５からアナウンス音、ブザー１６からブザー音が発生し、ランプ１７が点灯する。なお、スピーカ１５からは「発熱しました。少し冷えるまで電動工具を休ませてください。」等のアナウンス音が発生することが望ましい。
【０００８】
アラーム部２５がオンしている状態で電気ドリル４０の使用を続行し、ステップ１０９においてＭ≧Ｍｍａｘとなったならば、出力ポート２３ｅから信号が出力されＦＥＴ２２ａがオフになり、電気ドリル４０への給電が遮断される（ステップ１１１）。その後、ステップ１１２においてリセットスイッチ１９がオンとなったことを判別するとステップ１１３に進みステップ１００のスタートに戻る。
なお、上記実施例でマイコン２３により制御され、電流の通電、遮断を行うものをＦＥＴ２２ａとしたが、リレー等の素子でも良く、例えば直流電源回路２０内に設けた構成としても良い。
【０００９】
本実施例によれば、直流電源装置１１を用いて電気ドリル４０を駆動させ、電気ドリル４０を連続的に使用したとしても、モータの温度が極度に上昇する前に、電気ドリル４０への給電を遮断することができるため、モータ及び電気ドリル４０の寿命低下を抑制することができる。また、電気ドリル４０への給電が遮断されることをアラーム部２５により事前に知らせるようにしたので、電気ドリル４０が作業中に突然停止してしまうことを回避できる。
【００１０】
図６は電気ドリル４０に流れる電流ｉとモータ温度及びマイコン２３が記憶している累計電気量Ｍを示すグラフであり、実線で示すように累計電気量Ｍは電流ｉが流れている間は上昇し、停止中は一定値を維持し、電流ｉが流れると再度上昇する。このように上記実施例では、電気ドリル４０に電流ｉが流れていない、すなわち電動ドリル４０を駆動させていない時に自然冷却によりモータの温度が低下することを考慮していないものであるため、実際のモータ温度が問題となる程上昇していなくとも電気ドリル４０への給電を遮断してしまうという欠点がある。
【００１１】
上記欠点を解消する本発明直流電源装置の他の実施例の動作を表すフローチャートを図４に示す。図に示すステップ１００〜ステップ１０６は上記実施例と同様であるため説明を省略する。ステップ２０１では、ステップ１０６で求めた累計電気量ＭからＭｈを減じる動作を行う。これにより、電気ドリル４０が動作しているか否かにかかわらず、１０ｍｓｅｃ毎に累計電気量ＭからＭｈが減じられることになる。本実施例ではＭｈを０．０１１１ｍＡｈと非常に小さい値としたので、電気ドリル４０を駆動させている時には累計電気量Ｍに影響がほとんどなく、電気ドリル４０を駆動させていない時、すなわち自然冷却によりモータの温度が低下している時には累計電気量Ｍは徐々に小さくなっていく。これにより、図６に点線で示すように累計電気量Ｍはモータの温度特性と相似な波形となるので、最適な制御を行うことができるようになる。
電気ドリル４０を駆動させていない状態が１時間程度続くと、モータは極度に上昇した状態にあったとしても自然冷却により常温に復帰する。Ｍｈの０．０１１１ｍＡｈという値は電気ドリル４０を駆動させていない状態が１時間続いた時に、累計電気量Ｍが４０００Ａｈから０Ａｈ付近になるように設定された値である。ただし、累計電気量ＭはＭｈにより減じられることで０以下となることがないようにする必要がある。
【００１２】
次に、ステップ２０３、２０４について説明する。電気ドリル４０に大電流が２０秒程度流れるとモータのコンミテータ、カーボンブラシ及び周辺の巻線等の温度が極度に上昇し焼損してしまう恐れが高い。ステップ２０３、２０４は、何らかの原因により電気ドリル４０に大電流が連続して流れた場合に、アラーム部２５をオンにして、モータの寿命低下を抑制することができるようにしたものである。
ステップ２０３では電流ｉを監視し、電流ｉが５０Ａ以上である場合にはカウンタＮに１を加算し、５０Ａより小さい場合にはカウンタＮから１を減じ、ステップ２０４ではＮ≧５００であるか否か判別する。ステップ２０４においてＮ≧５００と判別したならば、ステップ２０５を介してステップ２０６に進みアラーム部２５をオンする。なお、カウンタＮは０以下となることがないようになっている。また、Ｎ≧５００となったらアラーム部２５をオンにするとしたが、電気ドリル４０への給電を遮断するようにしても良い。
【００１３】
上記した実施例の直流電源装置の動作を下記に示す計算例により具体的に説明する。なお、ΔＭ≦０の場合はΔＭ＝０とすると共に作業開始時点の累計電気量ΔＭは０であると仮定する。
【００１４】
（計算例１）
電気ドリル４０で２０Ａの負荷電流が流れる穴開け作業を連続的に行った場合に、作業開始から累計電気量Ｍが規定値Ｍｍａｘ以上となり電気ドリル４０への給電が遮断されるまでの時間、すなわちどれだけの時間連続的に電気ドリル４０を駆動させることができるのかを求める。
１０ｍｓｅｃ毎に累計電気量Ｍに加算される電気量ΔＭは（Ｉ×１０ｍｓｅｃ）−Ｍｈで、（２０Ａ×０．０１秒／３６００）−０．０１１１ｍＡｈ＝０．０４４４ｍＡｈである。
作業開始時点に０であった累計電気量ΔＭが規定値Ｍｍａｘ（４０００ｍＡｈ）以上となるまでに１０ｍｓｅｃカウンタがカウントする回数ｎは、Ｍｍａｘ／ΔＭであり、４０００／０．０４４４＝９００９０回である。
従って、作業開始から１０ｍｓｅｃ×９００９０＝９００．９秒＝約１５分後に累計電気量Ｍが規定値Ｍｍａｘ以上となり電気ドリル４０への給電は遮断される。すなわち、電気ドリル４０を約１５分間連続的に駆動させると、モータの温度が極度に上昇してモータ及び電気ドリル４０の寿命が低下するのを防止するために、直流電源装置は電気ドリル４０への給電を遮断する。
【００１５】
（計算例２）
電気ドリル４０で２０Ａの負荷電流が流れる穴開け作業を１０秒間行い、２０秒間駆動停止させる作業を繰り返した場合に、作業開始から電気ドリル４０への給電が遮断されるまでの時間を求める。
電気ドリル４０を駆動させる１０秒間中に１０ｍｓｅｃ毎に加算される電気量ΔＭ１は、（２０Ａ×０．０１秒／３６００）−０．０１１１ｍＡｈ＝０．０４４４ｍＡｈであり、１０ｍｓｅｃカウンタがカウントする回数ｎ１は、１０／０．０１＝１０００回である。
一方、２０秒間の駆動停止中に１０ｍｓｅｃ毎に加算される電気量ΔＭ２はＭｈが減じられるのみであるため、−０．０１１１ｍＡｈであり、１０ｍｓｅｃカウンタがカウントする回数ｎ２は２０／０．０１＝２０００回である。
従って、３０秒間で加算される電気量は、ΔＭ１×ｎ１＋ΔＭ２×ｎ２＝４４．４−２２．２＝２２．２ｍＡｈとなり、ＭがＭｍａｘ以上となるまでに３０秒間の１サイクル作業が繰り返される回数は４０００／２２．２＝１８０回となる。
すなわち、２０Ａの負荷電流が流れる穴開け作業を１０秒間行い、２０秒間駆動停止させる作業を繰り返した場合には、作業開始から３０秒×１８０回＝約９０分後に電気ドリル４０への給電が遮断される。
【００１６】
（計算例３）
電気ドリル４０で２０Ａの負荷電流が流れる穴開け作業を１０秒間行い、４０秒間駆動停止させる作業を繰り返した場合に、作業開始から電気ドリル４０への給電が遮断されるまでの時間を求める。
電気ドリル４０を駆動させる１０秒間中に１０ｍｓｅｃ毎に加算される電気量ΔＭ１は、（２０Ａ×０．０１秒／３６００）−０．０１１１ｍＡｈ＝０．０４４４ｍＡｈであり、１０ｍｓｅｃカウンタがカウントする回数ｎ１は１０／０．０１＝１０００回である。
一方４０秒間の駆動停止中に１０ｍｓｅｃ毎に加算される電気量ΔＭ２はＭｈが減じられるのみであるため、−０．０１１１ｍＡｈであり、１０ｍｓｅｃカウンタがカウントする回数ｎ２は４０／０．０１＝４０００回である。
従って、５０秒間で加算される電気量は、ΔＭ１×ｎ１＋ΔＭ２×ｎ２＝４４．４−４４．４＝０ｍＡｈであり、２０Ａの負荷電流が流れる穴開け作業を１０秒間行い、４０秒間駆動停止させる作業を繰り返した場合には、無限に電気ドリル４０を駆動させることができる。これは、電気ドリル４０を駆動させた時に上昇するモータの温度が駆動停止中に自然冷却され、常温に復帰するためである。
（計算例４）
電気ドリル４０で１０Ａの負荷電流が流れる穴開け作業を連続的に行った場合に、作業開始から電気ドリル４０への給電が遮断されるまでの時間を求める。
１０ｍｓｅｃ毎に加算される電気量ΔＭは、（１０Ａ×０．０１秒／３６００）−０．０１１１ｍＡｈ＝０．０１６６７ｍＡｈであり、累計電気量Ｍが規定値Ｍｍａｘ以上となるまでに１０ｍｓｅｃカウンタがカウントする回数ｎは、４０００／０．０１６６７＝２３９９５２回である。
従って、１０Ａの負荷電流が流れる穴開け作業を連続的に行った場合には、作業開始から１０ｍｓｅｃ×２３９９５２＝２４００秒＝約４０分後に電気ドリル４０への給電が遮断される。
【００１７】
（計算例５）
例えば作業中に電気ドリル４０がロックし、１００Ａの負荷電流が連続的に流れた場合には、１０ｍｓｅｃ毎にカウンタＮに１が加算されることになる。すなわち、カウンタＮ≧５００となる５００×１０ｍｓｅｃ＝５秒後にはアラーム部２５がオンになるか、あるいは電気ドリル４０への給電が遮断される。
【００１８】
上記実施例では１０ｍｓｅｃ毎にＭｈを減算し、これによりモータが自然冷却することを考慮するようにしたが、実際にはモータが自然冷却する熱量は周囲との温度差が大きいほど大きくなる傾向にあり一定ではない。自然冷却される熱量は温度のα乗に比例し、温度は累計電気量Ｍのβ乗、Ｍｈは自然冷却される熱量に比例すると考えると、
Ｍｈ＝β＊（累計電気量Ｍ）α乗
の関係にあるとみなせる（α、βは形状や材質、放熱の形態で決定される定数である）。
上記のような関係式あるいは表等をマイコン２３に記憶させて、Ｍｈを累計電気量Ｍによって常時可変させるようにすれば、モータの温度をより正確に推定することができ、より最適な制御を行うことができるようになる。
【００１９】
なお、図５に示すようにスピーカ１５、ブザー１６及びランプ１７からなるアラーム部２５をアダプタプラグ１３に設けた構成とすると、アラーム部２５がオンとなったことを容易に認識することができるようになる。
【００２０】
上記実施例の直流電源装置は、電気ドリル４０の温度上昇を通電する電気量ΔＭにより推定し、累計電気量Ｍを記憶し、累計電気量Ｍと規定値Ｍｍａｘとを比較してアラーム部２５をオンとする、あるいは電気ドリル４０への給電を遮断するというものであったが、例えば停電したり、プラグ１８が外れてしまうと累計電気量Ｍが失われてしまい、最適な制御を行うことができなくなってしまうという欠点があった。
上記した欠点を解消する直流電源装置の他の実施例を図７、図８を用いて説明する。図に示すように直流電源回路２２と出力ケーブル１２との間には、発熱体３１ａ、発熱体３１ａの表面温度を電気信号に変換するサーミスタ３１ｂ、サーミスタ３１ｂの電気信号を増幅し、入力ポート２３ａを介してマイコン２３に送るオペアンプ３１ｆからなる温度検出回路３１が設けられている。発熱体３１ａは、図８に示すように抵抗体をセラミックで封入したセラミック３１ｃをグラスウール等の断熱材３１ｄで覆い、断熱材３１ｄ内にサーミスタ３１ｂを取付けた構成をしており、電気ドリル４０のモータと同じように温度上昇、自然冷却するものである。
常時発熱体３１ａの温度と予め設定した規定温度とを比較し、比較結果によって警告する、あるいは電気ドリル４０への給電を遮断するという構成とすることにより、停電やプラグ１８が外れてしまったとしても、最適な制御を行うことができるようになる。なお、発熱体３１ａは電気ドリル４０のモータと近似な温度特性を持つものであれば良く、形状及び構成は問わない。
【００２１】
上記した直流電源装置は、累計電気量Ｍが規定値Ｍｍａｘ以上、あるいは発熱体３１ａの温度が規定温度以上となったならば電気ドリル４０への給電を遮断する構成としたが、電気ドリル４０への給電を一定時間だけ停止する構成としても良く、この場合リセットスイッチ１９を操作する必要がなくなると共に一定時間後には累計電気量Ｍが減少し電気ドリル４０を駆動させることができるので、操作性が向上する。また、この一時停止が所定時間内に所定回数発生した時には、電気ドリル４０への給電を遮断する構成とすると、電気ドリル４０の負担を軽減させることができ、寿命低下を抑制することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、電動工具に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出電流値を所定時間毎に取り込み、電動工具に供給される電気量を演算する制御手段とを備え、前記電気量の累計値が所定値を超えた時に警告するようにしたので、モータ及び電動工具の寿命低下を抑制する直流電源装置を提供することができるようになる。
また、電動工具に直列に接続され、電動工具のモータと近似な温度特性を有する発熱体を設けると共に、発熱体の温度を計測する検出回路とを備え、発熱体の温度が所定温度を以上となった時に警告するようにしたので、モータ及び電動工具の寿命低下を抑制する直流電源装置を提供することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明直流電源装置の一実施例を示す回路図。
【図２】本発明直流電源装置の一実施例及び携帯用電気ドリルの一例を示す斜視図。
【図３】本発明直流電源装置の一実施例の動作を表すフローチャート。
【図４】本発明直流電源装置の他の実施例の動作を表すフローチャート。
【図５】本発明直流電源装置の他の実施例を示す回路図。
【図６】直流電源装置が記憶している累計電気量、電動工具に流れる電流及びモータ温度の関係を示すグラフ。
【図７】本発明直流電源装置の他の実施例を示す回路図。
【図８】図７の直流電源装置を構成する発熱体の一実施例を示す要部断面斜視図。
【図９】従来の直流電源装置の一例を示す斜視図。
【図１０】従来の直流電源装置の一例を示す回路図。
【符号の説明】
１１は直流電源装置、１２は出力ケーブル、１３はアダプタプラグ、２０は直流電源回路、２１は検出回路、２３はマイコン、２５はアラーム部、３１は温度検出回路である。

Claims

着脱可能な蓄電池を電源とするコードレス電動工具に着脱可能なアダプタを介して直流電圧を供給する直流電源装置であって、
電動工具に流れる電流を検出する電流検出手段と、電流検出手段の検出電流値を所定時間毎に取り込み、電動工具に供給される電気量を演算する制御手段とを備え、前記電気量の累計値が所定値以上となった時に警告することを特徴とした直流電源装置。
前記制御手段は、前記演算毎に自然冷却分に相当する電気量を減算することを特徴とする請求項１記載の直流電源装置。
前記電気量の累計値が前記所定値より大きい規定値以上となった時、電動工具への給電を停止することを特徴とした請求項１記載の直流電源装置。
前記電気量の累計値が前記所定値より大きい規定値以上となった時、電動工具への給電を一時停止することを特徴とした請求項２記載の直流電源装置。
前記一時停止が所定時間内に所定回数発生した時、電動工具への給電を遮断することを特徴とした請求項４記載の直流電源装置。
前記制御手段は、前記演算毎に電流検出手段の検出電流値が所定値以上か否かを判断し、所定値以上の電流が所定回数以上となった時に警告することを特徴とした請求項１記載の直流電源装置。
着脱可能な蓄電池を電源とするコードレス電動工具に着脱可能なアダプタを介して直流電圧を供給する直流電源装置であって、
電動工具に直列に接続され、電動工具のモータと近似な温度特性を有する発熱体と、発熱体の温度を計測する検出回路とを備え、発熱体の温度が所定温度を超えた時に警告することを特徴とした直流電源装置。
前記発熱体の温度が所定温度よりも大きい規定値以上となった時に電動工具への給電を停止することを特徴とした請求項７記載の直流電源装置。
前記警告を行うアラーム部をアダプタプラグ内に設けたことを特徴とする請求項１、請求項６、請求項７のうちいずれか１項記載の直流電源装置。